零能耗约束下青藏高原民居建筑主被动太阳能组合供暖优化设计研究

作     者：张亚亚 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘艳峰

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：零能耗建筑 主被动太阳能组合供暖系统 协同优化 遗传算法 

摘      要：青藏高原地区冬季寒冷且漫长,供暖能耗在建筑总能源消耗中占有较高比例。该地区常规化石能源匮乏、运输补给困难,若采用以化石能源消耗为主的传统供暖方式,一方面会增加青藏高原地区生态环境被破坏的风险,另一方面高昂的供暖成本也将限制供暖技术的推广应用。青藏高原地区太阳能资源富集,日照时间长,因此利用当地丰富的太阳能资源进行供暖具有十分显著优势。近年来,随着太阳能供暖技术研究的不断成熟,国内外已有一系列的太阳能供暖示范工程相继建设成功,太阳能供暖系统初投资成本高仍然是阻碍太阳能供暖技术推广普及的重要因素,对于经济条件相对薄弱的村镇地区更是突出。利用建筑形体设计、建筑保温以及被动集蓄热构件等低成本节能技术多环节削减建筑供暖能耗,并通过主动太阳能供暖系统进行补充,则可形成一条低成本高保证率的太阳能供暖技术路径,而且在太阳能资源富集的青藏高原地区有望率先实现建筑零能耗供暖运行。然而,现有的建筑设计优化过程中,很少考虑建筑形体设计优化,且多采用先被动后主动的顺序设计,忽视了建筑形体设计、围护结构保温、被动集蓄热构件与主动系统设备之间的相关性和相互反馈作用,造成各个设计环节相互割裂,因而难以给出太阳能供暖各技术链条协同最优设计参数。本文将针对青藏原地区主被动太阳能组合供暖系统协同优化开展研究。通过分析太阳能主被动组合供暖系统中建筑本体、被动集蓄热构件、主动太阳能供暖系统等传热过程,并利用系统最优化理论,建立了以系统总造价最低为目标和以建筑供暖“零能耗为约束的主被动太阳能组合供暖协同优化模型。利用建筑能耗模拟与系统仿真软件建立了太阳能主被动组合供暖系统仿真模型,选择遗传算法求解协同优化模型,并通过单因素检验法确定优化结果的收敛性。此外,对不同被动构件、不同分时分区策略、不同价格参数等条件下系统优化结果进行了对比分析,给出了系统设计过程中各环节的协同最优设计参数。最后,综合考虑青藏高原各地气候和太阳能资源条件对其进行了地域分区,分析了主被动太阳能组合供暖系统在该地区的适宜性。研究结果与结论为青藏高原地区零能耗太阳能主被动组合供暖系统协同优化设计提供参考。主要研究结论如下:（1）提出一套确定系统最优设计参数的主被动太阳能组合供暖系统协同优化方法,以拉萨市某民居建筑为例（设计供暖时长保证率为98%的零能耗水平）,对3种被动构件下主被动太阳能组合供暖系统进行协同优化,并通过单因素检验法确定优化结果是否收敛。（2）通过主被动太阳能组合供暖系统的协同优化设计,可实现建筑形体设计、建筑保温、被动集蓄热构件和太阳能系统等设计环节合理承担建筑能耗,从而使建筑及系统整体的成本更低。系统各环节建筑能耗分摊比例大小为:建筑保温被动集蓄热构件太阳能系统建筑形体设计;系统各环节成本占比大小为:被动集蓄热构件太阳能系统建筑保温。（3）对比分析了不同分时分区策略对于优化结果的影响。结果表明,供暖温度、供暖区域、供暖时间对系统总造价最大影响幅度分别为35%、21%、6%,供暖温度对系统总造价影响最大,供暖区域次之,供暖时间对系统总造价影响最小。分时分区对于直接受益窗式、集热蓄热墙式系统总造价影响较大,对附加阳光间式系统总造价影响较小。（4）分析了保温材料价格、窗户价格、集热蓄热墙价格及主动设备价格对系统各项成本及总造价的影响。结果表明,保温材料价格、窗户价格、集热蓄热墙价格及主动设备价格对系统总造价的影响幅度分别约为7%、28%、2%和8%,窗户价格对系统的总造价影响最大,主动设备价格或保温材料价格次之,集热蓄热墙价格对系统总造价影响最小。（5）综合考虑青藏高原各地气候和太阳能资源条件对其进行了地域分区,并给出系统设计各环节的能耗分摊比例及成本占比。结果表明,在Ⅰ类-寒冷地区主被动太阳能组合供暖系统适宜性最好,Ⅱ类-寒冷地区系统适宜性较好,Ⅰ类-严寒地区系统适宜性一般,Ⅱ类-严寒地区适宜性较差,Ⅲ类-严寒地区系统不适宜。